《第二章温度》PPT课件.ppt

温度是下垫面和大气热量变化的表征值，地面温度和空气温度的变化对天气、气候以及植物的生长发育有重要的影响。本章将讨论温度的变化特点、变化规律及其温度对农业生产的影响。,第二章 温度（4学时）,内容提要 ： 1、热量交换方式； 2、土壤的热特性和土壤的热量平衡方程； 3、土温的变化规律及影响因子； 4、气温的变化规律及影响因子； 5、大气稳定度的判断依据； 6、积温的种类及计算； 7、温度与农林生产。,重点和难点： 1、土壤的热量收支平衡方程式，影响土温变化的因子； 2、气温的时空变化，大气稳定度的判定,第一节 土壤、空气及其之间的 热量交换方式,地球表面接受太阳辐射能，在下垫面本身、下垫面和空气，空气层之间，进行多种形式的热量交换，使地面温度、下层土壤温度、大气温度发生变化。,分子热传导是土壤中热量交换的主要方式。分子热传导过程的强弱对土壤层内热状况的形成有着重要意义。,主要的热量交换方式有：,一、分子热传导,二、辐射,辐射热交换是地面和空气之间进行热交换的主要方式，不同空气层之间也可以进行辐射交换。,三、对流,空气在垂直方向上大规模的，有规律的升降运动称为对流，根据其形成原因可分为如下两种：,1、热力对流（自由对流）,发生在低层气温剧烈增高或高层空气冷却时，上下层气温差异加大，低层空气密度小，高层空气密度大，因而产生了垂直方向的运动。 空气升降速度快，多在10m/s左右，水平尺度小，多在0.150km之间，是中低纬度温暖季节经常发生的空气运动现象。,2、动力对流（强迫对流）,常发生在空气水平流动遇到山脉，或其它外力作用下引起的垂直运动。 动力对流的升降速度慢，一般在0.110cm/s之间，但水平范围广，可达到几百km至几千km。,大气中的对流多数是由热力原因和动力原因共同引起的。对流运动是地面和低层大气的热量向高层传递的重要方式。,四、平流,大规模空气的水平运动称为平流。 平流运动是水平方向上热量交换的主要方式。对缓和地区之间和纬度之间的温度差异有很大作用。,五、乱流（湍流）,因为地面受热不均匀，或者空气沿一粗糙不平的下垫面移动时，常出现一种小规模的、无规则的升降气流或空气的涡旋运动，这种空气的不规则运动称为湍流，习惯上常叫乱流。,乱流可使空气在各个方向得到充分混合，并伴随着热量的交换。 乱流是地面和空气、空气和空气之间热量交换的重要方式之一。对缓和贴地气层的温度变化，起着十分重要的作用。,六、潜热,水的相态变化（温度不变）引起的热量转移称为潜热。,潜热交换不仅在地面和空气之间进行，空气之间也有。,第二节 土壤温度,一、影响地面温度变化的因子 (一）地表面热量平衡,地球表面温度的升高和降低，均是由地表面热量收支状况决定的，白天，地表面收入的能量多于支出的能量，地表面温度升高；夜间，地表面释放的热量多于吸收的热量，地表面温度降低；若收支平衡，则地表面温度保持不变。,根据能量守恒原理： 地表面热量收支差额（热量平衡） = 地面热量收入 地面热量支出,综合考虑，地表面的热量收入和支出项有： R：土壤表面与空气层间以辐射形式进行交换的热通量 项（辐射差额） P：土壤表面与空气间以湍流形式进行交换的热通量项 B：土壤表面与下层土壤间以分子传导形式进行交换的 热通量项 LE：土壤表面与空气层间以潜热形式进行交换的热通量 项,地面热量收支示意图,可见，夜间的各项收入和支出与白天正好相反的，若规定：地面得到热量为正，失去热量为负，则地面热量平衡方程式可写成：,R=P+B+LE,实际上土壤和空气，土壤和下层土壤之间的能量交换是在一定的土壤厚度间进行的。,故可将 R=P+B+LE 中的 B 项分解为： QS - 表层土壤的热量收支 B-下层土壤的热量收支,地面层热量收支示意图,则地面层热量收支方程为 QS=R P B LE,式中：QS为正值时，土壤表层得热大于失热，地面温度上升； QS为负值时，土壤表层得热小于失热，地面温度下降； QS=0时，土壤表层得热等于失热，地面温度最高或最低。 QS-可理解为热量的净积累(变化量),不同的下垫面性质，地面热量差额各项大小不同。例如，干燥疏松的沙质与潮湿紧密的粘质土壤相比，沙质土壤的 LE 项几乎为零，B 也很小，地面净得辐射能 R 后，主要用于 QS 和 P 的昼夜交换，使地面和空气温度变化剧烈，相对而言，潮湿粘性土壤的温度变化表现的和缓些。,（二）土壤的热力学特性,土壤温度的升高和降低不但受地面热量收入多少的支配，还将受到土壤本身的热力学特性的影响。土壤的热力学特性包括：热容量、导热率、导温率等。,（一）热容量-表示土壤容纳热量的能力 容积热容量（CV）：J/m3（焦耳/米3.度） 重量热容量： J/g （焦耳/克.度）,当土壤获得或失去相等的热量时，热容量越大的土壤，升温或降温的幅度越小。,土壤热容量的大小主要决定于土壤的组成成份和组成比例：,土壤空气-热容量最小 土壤水分-热容量最大 土壤固体部分-热容量居中,一般来说，改变土壤热容量的主要因素是土壤水分与土壤孔隙度的大小。土壤的热容量随着土壤湿度的增加而增大，随着土壤孔隙度增加而减少。 在自然情况下，单位体积土壤孔隙的变化并不很大，所以热容量的改变，主要决定于土壤孔隙中水分的改变，也就是说主要决定于土壤湿度。,土壤的孔隙度可以人为地改变。例如，翻犁中耕后的土壤，孔隙度增大，若是土壤水分含量没有显著的增加，则土壤热容量必然减小。镇压以后的土壤，孔隙度减小，热容量增加。,春季时，干燥的沙质土壤，由于迅速升温，农事活动可以相应提早九天至十几天。,（二）导热率（）-表示土壤传递热量的能力。 -单位：J/m.s.（焦耳/米.秒.度）,导热率的大小，也决定于土壤的组分及其比例：,土壤空气-导热率最小 土壤固体成分-导热率最大 土壤水分-导热率居中,土壤湿度增加时，使土壤导热率变大； 土壤空气多孔隙度大，使土壤导热率变小。 另外，土壤中有机质含量也影响导热率，有机质含量多，导热率变小。,（三）导温率（K） 表示土壤传递温度和消除层次间温度差异的能力。,其定义为：单位体积的土壤，由于流入（或流出）数量为的热量后，温度升高（或降低）的数值。,可用此式表达： K=/CV,据研究，干土起初因湿度上升，导温率是增大的，当土壤湿度2030%土壤的导温性能最好，土壤湿度再增加导温率反而减少，所以土壤太干或太湿导温率都不好。,在其他条件相同时，导温率越大，其表面温度变化越小，而土壤内温度变化则越大。,二、土壤中热量的传递,白天，土壤表面热量-土壤深层 夜间，土壤深层热量-土壤表面,土壤温度的变化首先从土壤表面开始，然后逐渐影响深层土壤温度的变化，其变化随深度的增加而减少，而且最高，最低温度出现的时间也随土壤深度增加愈来愈推后。,三、土壤温度的日、年变化,由于地球的自转和公转，使到达地面的太阳辐射能有周期性的日年变化，因而引起土壤温度也有相应的日年周期性的变化。,温度日、年变化的特征通常是用“时相”和“较差”来描述。 “时相”即“极值出现时刻”，是指最高温度或最低温度出现的时刻； “较差”即“振幅”，是指最高值和最低值之差。,（一）土壤表面温度的日变化,1、时相： 最高温度-13时左右 最低温度-将近日出的时候,2、日较差：,一天中，土壤的最高温度与最低温度之差，称土壤温度日较差。,影响土温日较差的因素：,A、太阳高度角-h 决定地面接收太阳辐射的多少 纬度：随纬度的增高，土温日较差减小。 季节：夏季冬季，但春季最大。 B、地形-地形主要是影响乱流热交换 凹地平地凸地。 C、下垫面颜色-主要影响土壤的反射率 深色浅色 D、导热率 导热率小的导热率大的,E、热容量 热容量小的热容量大的 F、天气 晴天阴天 云层白天能削弱太阳辐射同时减小地面有效辐射，结果白天使地面增温少，而夜间又大大减少地面的有效辐射，所以，阴天土壤温度日较差较小。 G、地表覆盖物-能减少地面有效辐射 无覆盖物有覆盖物,上述因子中，太阳高度角是影响土壤温度日变化的主要的也是基本因子。 地表状况（导热率、热容量、地形和土壤颜色等）的影响使温度日变化带有地方性特点。 天气条件的影响，一般都是使地面温度产生不规则的变化。 任何时间和任意地方的温度日较差，都是在上述诸因子的综合作用下产生的。,随着土壤深度增加，土壤温度日较差也很快减小，到达某一深度土壤温度日较差为零，这个深度较日变消失层。 日变消失层随深度的变化规律： 凡是热量收入多的地区和季节，向下传递的热量也多，日变消失层就深； 导热率大，热容量小的土壤日变消失层深。,（二）土壤表面温度的年变化,土壤表面温度的年变化主要与地面接受的太阳辐射年变化有关。,1、时相： 北半球的中、高纬度地区： 月平均最高温度-7（8月） 月平均最低温度-1（2月）,赤道附近： 一年中太阳直射两次，因此土壤表面的温度年变化也有两个起伏， 月平均最高温度分别出现在春分和秋分之后； 月平均最低温度分别出现在夏至和冬至以后。,2、年较差： 一年中，土壤最高月平均温度与最低月平均温度之差，称为土温年较差。,土壤温度年较差的大小与纬度、地表状况、天气等因子密切相关。 A、土壤温度的年较差随纬度增高而增大； B、其它因子对年较差的影响与日较差大体相同。,影响土温年较差的因素：,随土壤深度的增加年较差减小，至一定深度时，年较差为零，即土温在全年温度不变。在这个深度及其以下的层次叫常年恒温不变层，简称常温层。 常温层随纬度，深度。,四、土壤温度随着土壤深度的变化规律 1、随着土壤深度增加，土壤温度极值出现的时间逐渐落后。 （1）日变化：土壤深度每增加10厘米，温度最大值、最小值出现的时间落后2.5- 3.5小时。 （2）年变化：土壤深度每增加1米，月平均温度最大值、最小值出现的时间落后2030天。 2、随着土壤深度增加，土壤温度的较差逐渐减小。 （1）日较差：土壤深度40厘米以下，温度日变化基本消失 。 （2）年较差：10米以下的土壤，已为常温层。,五、土壤温度的垂直分布类型,由于土壤中各层热量在太阳辐射的作用下，昼夜不停地进行交换，使得土壤温度的垂直分布具有特点，根据土温观测资料，土壤温度的垂直分布可归纳为三种类型：日射型、辐射型、过渡型。,（一）日射型(受热型） 土壤温度随深度的增加而降低的类型。一般出现在白天和夏季。是由土壤表面首先增热造成的，热量由地表向下层传递。以一日中13时和一年中的7月份的土壤温度垂直分布为代表。,（二）辐射型（放热型） 土壤温度随深度的增加而增加的类型。一般出现在夜间和冬季，是由土壤表面首先冷却造成的，热量由下层向地表传递。以一日中01时和一年中的1月份的土壤温度垂直分布为代表。,（三）过渡型 土壤上、下层温度的垂直分布分别具有日射型和辐射型的特征。,清晨过度型、春季过渡型-辐射型日射型 傍晚过渡型、秋季过渡型-日射型辐射型,无论何种转变，都是从地面开始逐渐向较深的土层渗透的。,六、土壤的冻结和解冻,（一）土壤冻结,（二）土壤解冻,（三）我国各地区土壤冻结的情况,依据我国的冻土资料分析，可粗略地认为日平均气温-3-5为10cm土层开始冻结的温度指标。,七、土温对植物的影响,1、土温影响植物根系对水分和养分的吸收 2、土温影响植物块根、块茎的形成 3、土温影响种子发芽、出苗 4、土温影响昆虫的发生,第三节 水层的温度,一、影响水层温度变化的因子 1、热容量 当土壤和水体的吸热量或放热量相等时，水面升温或降温幅度应比土壤小一倍。 2、水为一半透明体 太阳辐射可透入相当深的水层（几十米的水层）中，约只一半的能量为10cm以上的水层所吸收，另一半能量则为10cm以下直到100m深左右的水层所吸收，所以水面温度的升高，要比地面小得多。 3、蒸发 水面蒸发多，因蒸发耗热使其增温缓和。 4、水中的热量传递方式与土壤完全不同。主要是乱流混合和对流作用，这种传热方式比分子传热快得多，能使水面的升温降温减慢几十倍。,二、水面温度的变化特点,1、日变化： 最高温度: 1516时 最低温度: 日出后的23h后 最高、最低温度出现的时间都比土壤的极值迟后23h。 水面的温度日较差也很小。随着水 层深度的增加，水温日较差变小 。,2、年变化： 北半球中，高纬度地区 月最高温度: 8月份 月最低温度: 23月份 月最高温度和月最低温度出现的时间大约是每深入60m落后一个月。,第四节 空气温度的变化,一、气温的周期性变化,低层大气的热量来源于地面。所以空气温度随时间的变化和地表温度的变化情况有相同的规律。地面温度有周期性的变化，所以空气温度也有周期性的日变化和年变化。这种变化，在近地气层里表现的最为显著。,（一）气温的日变化 1、时相： 最高气温-1415时 最低气温-日出前后,2、日较差：,影响气温日较差因素 纬度： 随着纬度增高而减小。 季节： 夏季冬季，春季最大（北方） 地形： 凹地平地凸地， 高原平原（P好）,下垫面状况： 陆地海洋 浅色深色 干松土壤潮湿紧密土壤 有植物覆盖和雪覆盖的地方裸地。 天气状况： 晴天阴天。 海拔高度： 随着高度的增加，地面的影响逐渐减小，气温日较差也随之减小。,（二）气温的年变化,1、时相： 北半球的中、高纬度地区， 月平均最高温度-7（8月） 月平均最低温度-1（2月） 赤道：一年中太阳直射两次，因此气温年变化也有两个起伏， 月平均最高温度出现在春分和秋分之后； 月平均最低温度出现在夏至和冬至以后。,2、年较差：-影响因子,纬度：气温年较差随着纬度的增高而加大。 在低纬度处，一年中太阳高度角变化不大，所以年变幅也不大； 中高纬度地区，冬季和夏季的太阳辐射能相差大，纬度越高差异越大。 距海远近：远海近海 地形：凹下地形凸起地形 海拔高度：随着高度的增加，地面的影响逐渐减小，气温年较差也随之减小。 云量和降水：云量多、降水多的地区，年较差小。,（三）气温的非周期变化,是由于大规模的空气水平运动引起的。在中、高纬度地区，平流的非周期性影响很强。,实际上，一个地方空气温度的变化总是在周期性与非周期性中交替进行，气温的变化也是两者共同作用的结果。,（四）气温的垂直变化,1、气温垂直梯度（）,气温垂直梯度（temperature vertical gradient）是指高度每变化100m，气温变化的度数。,0：高度，气温，-常温大气； =0：高度，气温不变，-等温大气； 0：高度，气温 ，-逆温大气。,在对流层中，气温垂直梯度平均约为0.65/100m。,气温垂直梯度的大小不是固定不变的，尤其是在近地气层变化极大，一般说来，夏季、晴天气温垂直梯度数值较大，冬季、阴天气温垂直梯度较小。垂直梯度愈大，空气层愈不稳定，对流运动愈强。,、定义： 在对流层中当气温随着高度的增加而升高的现象，称为逆温现象。,出现逆温的气层，叫做逆温层。,逆温层是稳定度较大的气层。,2、 逆温现象,据形成的原因将逆温分为：辐射逆温、平流逆温,、 逆温的成因及种类,辐射逆温：在晴朗无风和微风的夜晚，地面由于辐射冷却而形成的气温随高度增加而增高的现象叫辐射逆温。,辐射逆温通常在日落以后开始出现，夜间加强，黎明前强度最大，日出后地面及其邻的空气增温，逆温便自下而上逐渐消失。辐射逆温在大陆上常年都可出现。中纬度地区，秋、冬季节大为多见。辐射逆温层的厚度可达200300m。,利于辐射逆温形成的天气条件,晴夜或仅有高云的夜晚有利于辐射逆温的形成。因为晴夜地面有效辐射强度大，地面降温剧烈。,晴夜或仅有高云的夜晚有利于地面有效辐射使地面降温幅度大； 微风（一般是2-3m/s）有利于形成较厚的逆温层。 完全无风时，不利于向高层扩散； 风速过大，强烈的乱流，破坏逆温层；,利于辐射逆温形成的地形条件,山谷或洼地有利于辐射逆温的产生，形成的逆温比较强烈，出现的机会也多。这种由于地形作用而产生的逆温，称为地形逆温。,利于辐射逆温形成的土壤条件 在同一地形和天气条下，夜间辐射逆温的强度与土壤性质有关：导热率小、热容量小的土壤容易形成辐射逆温。,平流逆温,当暖空气运动到冷的下垫面上，使接近地面的空气冷却而形成的气温逆增的现象，较平流逆温。 冬天海洋上来的气团运动到冷的大陆上，或秋季空气由低纬度运动到高纬度时，均可形成平流逆温。 平流逆温在一天中任何时间都可能出现。 平流逆温的强度由暖空气与冷的地面之间的温差决定，温差越大强度越强。,逆温现象的利与弊,逆温层的存在使空气处于稳定状态，空气中的垂直运动受到抑制。,有利： 烟雾剂-防治植物病虫害 熏烟法-防霜冻， 果树嫁接-高位嫁接（避免低温层，安全越冬） 秋季晾晒农副产品-一定高度上,地面上扬起的尘埃,由于,烟煤燃烧排放的烟尘,汽车尾气,不利： 降低能见度 造成严重的空气污染,黑龙江出现的逆温现象,当有逆温存在时,-司机要注意交通安全,-有晨炼习惯的朋友，要特别注意避开这段时间（尤其是日出前后或傍晚以后）。,二、空气的绝热变化与大气稳定度,（一）空气的绝热变化 -强调空气块本身温度在垂直运动中的变化 空气块在垂直运动中与外界不发生热量交换，既无热量输入，也无热量输出，这种过程称为绝热过程（adiabatic process）。,由于空气中水汽含量不同，空气块在作垂直运动时，其温度变化情况是不同的：,1、干空气的绝热变化:干空气在绝热上升过程中，每改变单位距离的温度变化称为干绝热直减率（dry adiabatic lapse rate），通常以rd表示。其值约为1/100m。,2、湿空气的绝热变化:湿空气在绝热上升（或下降）中，每改变单位距离(也取100m)的温度变化，称为湿绝热直减率（wet adiabatic lapse rate），常以rm表示。,如何理解 r、rd 、rm 、rdrm？,（二）大气稳定度：,1、大气稳定度的概念 大气稳定度（atmospheric stability）是指气块受任意方向扰动后返回或远离平衡位置的趋势和程度。,大气是稳定的-受扰动后能返回原来的位置 大气是不稳定的-受扰动后不能返回原来的位置 大气是中性的-受扰动时，推到哪它就停止在哪,2、决定大气稳定度的因子,大气对某一气块的稳定度，取决于与d 或与m 的对比。,某空气未饱和时大气的稳定度,综合所述，可得出以下几点结论: r越大，大气越不稳定；当rrd时，为绝对不稳定。 r越小，大气越稳定。当rrm时，为绝对稳定状态。 如果r很小（r0）,它将阻碍对流的发展，所以习惯上常将逆温以及r很小的气层称为阻挡层。 当rmrrd时，对饱和空气来说，大气是处于不稳定状态；对于末饱和空气来说，大气是处于稳定状态。这种情况，总起来说大气是处于条件性不稳定状态。 r=rd（rm）:大气是中性的。,第五节 温度与农业生产,温度条件是植物生活所必须的基本生存条件之一。各种农作物的栽培时期，农事季节的安排等都需考虑温度条件。温度常成为某地能否栽培某种作物的绝对条件，也常成为某地能否实行某种种植制度的先决条件。温度从其强度、变化和持续时间三方面对农作物的生长发育产生重要影响。,一、温度强度与农作物的生长发育,（一）三基点温度 植物正常的生长发育都要求一定的温度条件，过高过低都会影响其正常发育。,植物生命活动基本温度示意图,三基点温度变化规律： 最适温度较接近最高温度，而离最低温度较远； 最高温度多在3040之间，除炎热地区外，长时间维持3040的机会不太多； 最低温度常会遇到。所以在生产实践中，作物的分布和产量受低温的限制比高温的限制要多些。,（二）界限温度,1、农业界限温度：（agricultural boundary temperature）是指具有普遍意义，标志某些重要物候现象或农事活动之开始，终止或转折的温度。,2、常采用的农业界限温度 0-日平均气温稳定通过0的持续时期为适宜农耕期。 5-日平均气温稳定通过5的持续时期为越冬作物生长活动期。 10-日平均气温稳定通过10的持续时期为喜温作物生长活动期，同时也是越冬作物生长活跃时期。 15-日平均气温稳定通过15的持续时期为喜温作物活跃生长期。,（三）界限温度资料在农业生产中的意义 1、分析与对比年代间或地区间稳定通过某界限温度日期之早晚及对作物影响。 2、分析与对比年代间与地区间稳定通过相邻或选定的两界限度日期之间的间隔日数，以比较升温与降温之快慢缓急，分析其对作物之利弊等。如春季010的间隔日数较长，对小麦穗分化有利；而秋季50，0-5的间隔日数太短，是不利于小麦越冬锻炼的。 3、分析对比年代间与地区间春季和秋季稳定通过5或10之间的持续日数，作为鉴定生长季长短的标准之一，可与无霜冻期日数结合使用，相互补充。,二、温度变化与农业生产 一般说来，当气温不高于也不低于作物正常生长发育的温度时，日较差大有利于作物有机质的积累。 气温日变化和农作物产品品质也有密切关系。,三、一定温度的持续时间与农作物的生长发育,1、积温的定义 作物的生长发育是在一定的温度下开始的，而且是在累积了一定的温度总数后完成的。这个一定的温度总数就叫做积温（accumulated temperature）。作物开始生长发育的温度叫生物学下限温度(或生物学最低温度、生物学零度)。,2、积温的种类 (1)活动积温：作物的某一生育期或全生育期中所有活动温度的总和，即为活动积温，表达式可写为： Aa= i(tiB) (用于农业气候资源分析） n：生育期日数 ti：该生育期每天的平均气温 B：作物发育的下限温度（生物学零度） Aa：